人行天橋的設計要點及工程實例

劉志貴 胡松濤

（1.鄭州市市政工程勘測設計研究院，河南 鄭州450046；2.河南高速公路發(fā)展有限責任公司 南陽分公司，河南 南陽473000）

隨著城市的快速發(fā)展，帶來大量突出的交通矛盾急需解決，尤其在城市干道沿線的部分路段或交叉口附近，行人過街難的問題日漸突出。為提高城市路網通行能力，確保行人過街方便，城市人行天橋與地道的建設日益增多。 相比起人行地道的建設，人行天橋具有建筑結構簡單、工期短、投資較少、施工較易、施工期基本不影響交通和附近建筑的安全，與地下管線的矛盾解決、維護方便等優(yōu)點。但老式人行天橋僅從滿足人流交通需求出發(fā)，忽視天橋的景觀設計，建成后與周圍環(huán)境不協(xié)調。 而城市景觀人行天橋設計概念的引進，已使天橋的作用不僅僅為滿足交通需求，更進一步使天橋建成后可成為城市中一道新的風景。 人行天橋在城市建設項目中雖是小項目，但因為它處在城市市區(qū)，直接為人們所使用、觀賞，其選址、外形、結構等也很受關注。

下面著重談一下天橋設計的要點， 并以鄭州市黃河路-文化路環(huán)形鋼結構天橋為例，介紹鋼結構天橋設計中應注意的問題。

1 天橋的選址

天橋的選址問題關系道天橋能否真正發(fā)揮作用，影響選址因素很多，道路性質、地下管線、過街需求等。

天橋梯道落地位置對天橋選位也有很大影響，特別是當天橋僅可能單側設置梯道時。由于規(guī)范規(guī)定人行道最小寬度為3m，即便依此計算，梯道寬度也應為天橋寬度的1.2 倍即3.6m；而一般人行道寬度為3～5m，如單側設置梯道則人行道全部或大部被侵占。 由此造成天橋選位的極大困難。 天橋的選位應優(yōu)先考慮滿足交通需要和行人的便利。但是,對于城市中心區(qū)，由于周圍環(huán)境和建筑物的限制，以及地下管線等的影響，通常理想橋位在設計和施工上都存在一些需要克服的困難或難題。

2 天橋的橋型

城市人行天橋不同于一般橋梁，它是當地行人和附近居民接觸最頻繁的建筑物，人們在近距離內看到它的機會很多，故應使人行天橋具有遠觀和近視美。 將人行天橋的建筑造型與周圍建筑相協(xié)調，溶入周圍環(huán)境之中，其次還要考慮天橋的色彩和鋪裝，不使天橋在現(xiàn)代化建筑或其它優(yōu)美典雅的對比之下相形見絀。

天橋建筑風格通常定位于“城市小品”，這是一個很高的要求，很難輕易達到。人行天橋平面布置應遵循“簡單、對稱”的原則，爭取與周圍建筑物協(xié)調統(tǒng)一，曲線過渡自然圓順。 跨越路口的天橋由于其凈高受四周道路的控制,其橋面通常是水平的；而“一”字形天橋其橋面有可能是水平的或變高的。 橋面采用變高可以降低梯道的高度，相應也減少了梯道的長度。

3 天橋的結構形式

根據天橋所處位置的不同，可選用多種結構形式。 連續(xù)梁、桁架、拱橋等都是可供選擇的結構形式。

一般來講，在交叉口選用環(huán)形鋼箱梁橋，該種結構形式跨度加大、受力簡單明確；鋼板焊制箱梁結構的使用大大改善了施工期間的交通問題，該種結構形式已在城市絕大多數人行天橋及部分鋼制車行橋梁中采用。 這種結構的人行天橋可在工廠制造，而后分段運往現(xiàn)場吊裝拼接即可。 其特點是：截面高度小但剛度大，人行震動小且堅固耐用，增加行人的舒適感，橋體線條流暢、簡潔輕盈、造型美觀舒適大方，可造性強，易于與周邊環(huán)境相統(tǒng)一協(xié)調。

在直線路段選用混凝土連續(xù)梁橋，該種結構形式造價較低，施工方便。 普通鋼筋混凝土結構易于就地取材，耐久性好，剛度大，具有可模性等優(yōu)點，適用范圍非常廣泛；預應力鋼筋混凝土結構可使高強鋼材和高標號混凝土的高強性能在結構中得到充分利用， 降低結構自重，增大跨越能力。但這兩種結構形式均需要長時間占道施工，對于一座交通流量以達飽和的城市來說，交通壓力太大了。

在商業(yè)區(qū)選用鋼桁架或提籃拱結構，該種結構形式，造型美觀，能與周圍景觀較好協(xié)調。 天橋的桁架結構可采用焊接鋼管桁架結構，管桁架目前在建筑結構得到較多的采用。 該種結構造型新穎美觀，能使天橋的頂棚和下部主橋渾然一體，有效的利用頂棚的高度。

4 天橋的結構設計

4.1 自振頻率

人行天橋的主要活荷載為行人。 行人在行走時有其步行頻率，步行頻率不論男女老幼,差別不大，一般約為2Hz 左右。為避免主橋的固有自振頻率與步行頻率較接近而引起主梁振動及撓度過大，引起行人感到不適，甚至危及天橋安全，因此，《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》規(guī)定，為避免共振,減少行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz。

4.2 強度、變形

無論混凝土天橋還是鋼天橋都要滿足強度的要求。預應力混凝土天橋要驗算持久狀況承載能力極限狀態(tài)下的抗彎、抗剪、抗扭；需要驗算持久狀況正常使用極限狀態(tài)下抗裂驗算、裂縫限值驗算、撓度驗算。鋼天橋天橋要驗算強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定；要計算疲勞問題；要計算焊縫連接等。

4.3 預拱度

對于連續(xù)梁的預拱度， 應在結構重力下足以抵消結構重力的撓度，使橋面保持平順。特別注意不能在中墩處使橋面形成尖角。對于鋼結構，計算撓度時不考慮縱向加勁肋的作用，縱向加勁肋變形不符合平截面假定。

5 設計實例

下面以鄭州市黃河路-文化路人行天橋為例， 介紹一下天橋的設計過程。

5.1 工程位置

本項目處于城市主干道文化路與黃河路交匯處，人口密集，東北角為華聯(lián)地下超市；東南角商務樓底層為麥當勞餐廳；西北角為亨德商務辦公樓，底層鄭州市信用社、創(chuàng)業(yè)百貨、重慶小火鍋等商業(yè)場所；西南角為河南省會計學校教學樓，底層為商鋪。

圖1 工程位置示意圖

5.2 現(xiàn)場交通

本項目周邊多為學校、醫(yī)院及商業(yè)設施，交叉口附近區(qū)域有華聯(lián)超市、麥當勞餐廳、亨德商務寫字樓等商業(yè)辦公場所，人流密集，行人過街需求量較大。黃河路和文化路是鄭州市東西向和南北向城市主干路，交通地位重要，路段車流量大，尤其是在兩路的交叉口人流密集，雖然有過街斑馬線，但仍存在行人隨意穿越，交通秩序雜亂的現(xiàn)象，人車沖突問題嚴重， 對道路交通運行質量和交通安全構成了嚴重威脅，因此在此交叉口修建人行過街設施已是當務之急。

5.3 現(xiàn)場管線

經現(xiàn)場調查，天橋工程范圍內管線共有雨水、污水、自來水、通訊、電纜、熱力等6 種管線。 管線位置如下：

本次工程需要遷移的管線： 黃河路熱力管線中南16.5m， 管徑DN500（雙管）;文化路中西15m 中國聯(lián)通電纜處于天橋梯道范圍，應向西遷移。

5.4 技術標準

（1）橋下凈空：5.5m；

（2）橋寬：主橋全寬4.3m，凈寬4m；

（3）梯道全寬2.8m，凈寬2.5m；

（4）設計荷載：人群荷載：4.5kN/m2，風荷載：0.5kN/m2；

（5）地基承載力≥120kPa；

（6）極限溫差：t=±35℃；

（7）自振頻率：＞3Hz；

（8）坡度：主橋：縱坡i≥3‰、橫坡i≥1%；

（9）梯道：縱坡i=1:2.5。

5.5 總體設計

方案設計考慮緩解黃河路和文化路的交通壓力，在滿足功能要求的同時整體造型簡潔明快，結構形式經濟合理。

梯道布置因地制宜，在人行道較窄的東北角布置自動扶梯，扶梯一端落在華聯(lián)地下超市的頂板；在其他三處，梯道布置盡量靠近路緣石，減小梯道對臨街商鋪的影響。 布置梯道時要考慮盡量避讓地下市政管線，對于可以部分壓在梯道基礎之下的管線，應對基礎做特殊設計。

由于要兼顧兩條主線的交通，設計采用鋼結構環(huán)形天橋，橋梁平面如下圖所示：

圖2 天橋平面圖（單位：cm）

圖3 天橋效果圖

5.6 結構計算

5.6.1 結構概況

本工程主橋采用環(huán)形天橋，共設有8 個橋墩。 其結構受力模式為連續(xù)梁受力結構。 主橋軸線全長158.84 米。 橋梁全寬4.3 米，凈寬4.0米。 梯道全部為直線型梯道，梯道全寬2.8 米，凈寬2.5 米。

主橋采用等截面鋼箱梁，梁高均為1.6 米。 箱梁內部設置橫隔板和縱向肋板。

截面形式：主梁箱梁截面為帶懸臂的箱型斷面，按單箱雙室布置。

圖4 天橋鋼箱橫斷面圖（單位：cm）

5.6.2 建模計算

采用有限元計算軟件Midas 建模，四個橋梁支座的采用1 個固定支座，2 個單向支座和1 個雙向支座，邊界條件也按此建立。

計算溫度：整體降溫20℃，整體升溫25℃，頂板升溫5℃，溫差效應參照BS5400（英國標準）取值。

人群荷載取為4.5kN/m2，風荷載：0.5kN/m2。

二期恒載：橋面鋪裝按厚10cm 砼考慮，寬4.3m，荷載集度為g2=0.1×4.3×25=10.75kN/m；

5.6.3 結果分析

1）強度

根據計算最大彎矩為8499kN.m，最大剪力為1154kN，計算梁最大彎曲應力為85.2MPa。

鋼箱梁計算結果中跨中斷面最大應力值均小于295MPa （規(guī)范要求的Q345 鋼設計容許彎曲應力[σw]）。 截面正應力應力滿足規(guī)范要求。

鋼箱梁剪力控制斷面的剪應力檢算：

支點剪力：Qmax=1154kN

支點剪應力：τ=VS/（I tw）=1154×0.125×1000/（0.257×0.044）=19.68MPa

計算結果中支點最大剪應力為19.68MPa，小于170MPa（規(guī)范要求的Q345 鋼設計容許剪應力[τ]）剪應力滿足規(guī)范要求。

上述計算結果表明， 按平面計算分析結構的整體應力水平較小。考慮到本橋結構使用功能上的重要性，設計認為采用較大的安全富裕度是必要的。 同時，鋼箱梁頂板尚存在第二體系（橫隔板體系）和第三體系（蓋板體系）的局部應力，因此保持頂板的較小應力水平是合理的。

2）撓度

Midas 計算鋼箱梁的變形計算結果見表1：

表1 鋼箱梁變形計算結果(L=46m)

結構的恒載撓度及活載撓度的合計值為36mm，通過設置預拱度克服，預拱度設為50mm。 結構的最大活載撓度為14mm，撓跨比為1/2371，小于規(guī)范要求的1/600，結構剛度滿足規(guī)范要求。

3）整體穩(wěn)定

根據《鋼結構設計規(guī)范》4.2.4 條

h/b0=1.6/2=0.8≤6，l1/b0=45/2.3=19.56≤95×235/345=64.7， 不需要計算整體穩(wěn)定

4）梁的局部穩(wěn)定驗算

B0/t=350/20=17.5≤40×（235/fy）0.5=33

因此，縱肋間距滿足要求。

5）自振頻率驗算

Midas 特征值分析結果如表2：

表2 天橋陣型頻率

計算得f1=3.99Hz＞3Hz，滿足要求。

6 結語

城市中心區(qū)的人行天橋是與城市生活緊密相連的，設計、建造能融入城市整體環(huán)境的天橋是橋梁工作者的責任。 本文著重從天橋的選址、天橋的橋型、天橋的結構形式、天橋的結構計算等四方面介紹天橋設計中應注意的問題，同時用工程實例將普遍原則具體化，更有針對性地說明了鋼結構天橋設計的流程，為工程設計人員提供了借鑒。

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